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关于超声波热量表中流量传感器的结构与性能探讨（一）
时间：2014-11-26 08:33:14
出处：www.sdhdr.com
作者：海德瑞
超声波热量表是在超声波流量计的基础上，由流体的流量和供、回水温差来计算出向用户提供的热量。其中流量测量部分是应用一对超声波换能器相向交替（或同时）收发超声波，通过观测超声波在介质中的顺流和逆流传播时间差间接测量流体流速，再通过流速计算流量的一种间接测量方法。
超声波流量传感器是实现信号发射和接收的关键部件，其质量的好坏直接影响热量表的精度、稳定性和可靠性。本文将针对户用超声波热量表的超声波流量传感器的使用要求出发，分析其工作原理，结构特点，性能特点。并从其实际使用条件考虑，提出初步的户用超声波热量表的超声波流量传感器的可靠性测试项目和标准。
一、影响超声波流量传感器性能的关键因素
超声波流量传感器的使用有以下特点：
1、长期在高压（最高达1.6MPa）下工作。
2、长期在高温（最高达90℃）下工作。
3、经受长期的冷热交变的环境。
4、长期在有水和潮湿的环境下使用。
因此这就要求超声波流量传感器要达到3点技术要求：1、在高压和高温下保持性能的稳定。2、在长时间的冷热交变环境中保持性能稳定。3、产品密封性良好，保证产品使用过程中不进水。以上3点是影响超声波流量传感器性能的关键因素。
二、超声波流量传感器的结构设计特点
从超声波流量传感器的受力情况分析，首先是不锈钢外壳受力，然后传递到换能片，最后到塑料基座。因此要保持超声波流量传感器在高温、高压下有足够的强度并且性能稳定，在结构上必须考虑以下几点：
1、不锈钢外壳的结构设计：在施加和释放压力循环作用下，不锈钢外壳会反复产生一定的形变，为了防止金属产生疲劳断裂，不锈钢外壳要有一定的形变冗余度。在设计上作如下考虑：在不锈钢外壳边缘弯折处设计有弧形缓冲段，如图1所示。弧形缓冲段有弹性作用，可以改善不锈钢外壳在液体压力作用下的形变状态，防止反复形变在边缘弯折处产生疲劳断裂。另外，也可减小由于边缘弯折处的形变过大导致换能片与胶水的黏接面局部剥落的可能性。通过ANSYS软件对换能片在1MHz的激励信号条件下进行仿真分析，换能片在工作状态下表面呈水面涟漪状，形成的超声波在某一个方向上（图2中中间斜线方向）强度相对较大，其他方向强度较弱的类线形波。换能片的边缘也存在振动强度较高的区域，而换能片与不锈钢外壳是黏接在一起的，因此，增加不锈钢外壳的形变冗余度也有利于减少换能片受束缚的程度，从而改善换能片的振动状态，提高灵敏度。实验证明，弧形缓冲段的设计有助于提高超声波流量传感器的灵敏度。不锈钢外壳材料不同对超声波流量传感器的谐振频率影响也不同，从而影响灵敏度。
2、塑料基座的设计：塑料基座是最终承受压力的载体，因此在材料的选择上要考虑选用高强度的工程塑料。在结构上也要考虑较大的受力面积，以保证材料的刚性，减小受压时的变形量。
3、缓冲层的设计：换能片的刚性很高，在相同压力下，变形量比塑料基座要小很多。塑料基座在变形量大于换能片的情况下，两者之间容易产生空隙，导致换能片开裂。在换能片和塑料基座之间设计缓冲层可以有效解决两种材料的不同位置变形不匹配的问题，缓冲层采用硬度较小的材料，有利于吸收形变的不均匀性。另外，缓冲层也可以起到有效降低余振的作用。
4、填充材料的选择：考虑到超声波流量传感器要长期在温度较高的环境下工作，而且要经受温度反复变化的耐久性测试，填充材料要有好的耐高温特性和较高的导热性，材料的热膨胀系数要和基座材料相当，从而保证填充材料在不同温度条件下和基座等材料有良好的黏接性，不会开裂。
5、声学匹配层的设计：换能片的振动是通过声学匹配层传递到不锈钢外壳，从而带动外壳振动，产生超声波。对声学匹配层的材料要求既要有良好的振动传递效果，又要能够在高温下长期工作。声学匹配层材料的选择是超声波流量传感器能够经受住耐久性测试的关键。
超声波流量传感器是实现信号发射和接收的关键部件，其质量的好坏直接影响热量表的精度、稳定性和可靠性。本文将针对户用超声波热量表的超声波流量传感器的使用要求出发，分析其工作原理，结构特点，性能特点。并从其实际使用条件考虑，提出初步的户用超声波热量表的超声波流量传感器的可靠性测试项目和标准。
一、影响超声波流量传感器性能的关键因素
超声波流量传感器的使用有以下特点：
1、长期在高压（最高达1.6MPa）下工作。
2、长期在高温（最高达90℃）下工作。
3、经受长期的冷热交变的环境。
4、长期在有水和潮湿的环境下使用。
因此这就要求超声波流量传感器要达到3点技术要求：1、在高压和高温下保持性能的稳定。2、在长时间的冷热交变环境中保持性能稳定。3、产品密封性良好，保证产品使用过程中不进水。以上3点是影响超声波流量传感器性能的关键因素。
二、超声波流量传感器的结构设计特点
从超声波流量传感器的受力情况分析，首先是不锈钢外壳受力，然后传递到换能片，最后到塑料基座。因此要保持超声波流量传感器在高温、高压下有足够的强度并且性能稳定，在结构上必须考虑以下几点：
1、不锈钢外壳的结构设计：在施加和释放压力循环作用下，不锈钢外壳会反复产生一定的形变，为了防止金属产生疲劳断裂，不锈钢外壳要有一定的形变冗余度。在设计上作如下考虑：在不锈钢外壳边缘弯折处设计有弧形缓冲段，如图1所示。弧形缓冲段有弹性作用，可以改善不锈钢外壳在液体压力作用下的形变状态，防止反复形变在边缘弯折处产生疲劳断裂。另外，也可减小由于边缘弯折处的形变过大导致换能片与胶水的黏接面局部剥落的可能性。通过ANSYS软件对换能片在1MHz的激励信号条件下进行仿真分析，换能片在工作状态下表面呈水面涟漪状，形成的超声波在某一个方向上（图2中中间斜线方向）强度相对较大，其他方向强度较弱的类线形波。换能片的边缘也存在振动强度较高的区域，而换能片与不锈钢外壳是黏接在一起的，因此，增加不锈钢外壳的形变冗余度也有利于减少换能片受束缚的程度，从而改善换能片的振动状态，提高灵敏度。实验证明，弧形缓冲段的设计有助于提高超声波流量传感器的灵敏度。不锈钢外壳材料不同对超声波流量传感器的谐振频率影响也不同，从而影响灵敏度。
2、塑料基座的设计：塑料基座是最终承受压力的载体，因此在材料的选择上要考虑选用高强度的工程塑料。在结构上也要考虑较大的受力面积，以保证材料的刚性，减小受压时的变形量。
3、缓冲层的设计：换能片的刚性很高，在相同压力下，变形量比塑料基座要小很多。塑料基座在变形量大于换能片的情况下，两者之间容易产生空隙，导致换能片开裂。在换能片和塑料基座之间设计缓冲层可以有效解决两种材料的不同位置变形不匹配的问题，缓冲层采用硬度较小的材料，有利于吸收形变的不均匀性。另外，缓冲层也可以起到有效降低余振的作用。
4、填充材料的选择：考虑到超声波流量传感器要长期在温度较高的环境下工作，而且要经受温度反复变化的耐久性测试，填充材料要有好的耐高温特性和较高的导热性，材料的热膨胀系数要和基座材料相当，从而保证填充材料在不同温度条件下和基座等材料有良好的黏接性，不会开裂。
5、声学匹配层的设计：换能片的振动是通过声学匹配层传递到不锈钢外壳，从而带动外壳振动，产生超声波。对声学匹配层的材料要求既要有良好的振动传递效果，又要能够在高温下长期工作。声学匹配层材料的选择是超声波流量传感器能够经受住耐久性测试的关键。
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